專利名稱：測量扭矩的方法和系統的制作方法
本申請是申請日為2004年8月27日的、國家申請號為200480024956.X的、發明名稱為“測量扭矩的方法和系統”(國際申請日為2004年8月27日、國際申請號為PCT/US2004/028120)的原申請的分案申請。
交叉引用
本申請要求于2003年8月29日申請的美國專利第60/4199號的權利并在此引用其內容。
本申請依據由美國國防部授權的合同(F135 F-35JointStrikeFighter)享受政府支持。美國政府對本發明享有一定的權利。
發明領域 本發明涉及用于監控及測量扭矩的方法和系統。更具體而言，本發明涉及用于測量旋轉驅動軸系統中的扭矩的方法/系統，特別是測量與具有固定機翼的空中飛行工具的推進系統相聯接的旋轉驅動軸的扭矩。
背景技術：
需要一種系統和方法來準確、經濟地測量高速轉軸系統中的扭矩。需要一種經濟可行的方法來動態測量轉軸系統中的扭矩。需要一種可靠的系統和方法來測量安裝在空中飛行工具推進系統中的旋轉驅動軸的扭矩，該空中飛行工具具有固定機翼并能夠緊急垂直升降，例如用于監控諸如具有固定機翼的、能夠緊急垂直升降的空中飛行工具的旋轉驅動軸推進系統的撓性聯接。
發明內容
本發明包括測量扭矩的方法。本方法包括提供具有目標圖形的第一轉盤A及具有目標圖形的第二轉盤B。本方法包括提供具有至少三個傳感器的第一傳感器組，包括第一盤第一傳感器(1A)，第一盤第二傳感器(2A)，及第一盤第三傳感器(3A)。該具有至少三個傳感器的第一傳感器組用于檢測第一轉盤目標圖形，該至少三個傳感器環繞第一轉盤固定并包圍第一轉盤。本方法包括提供具有至少三個傳感器的第二傳感器組，包括第二盤第一傳感器(1B)，第二盤第二傳感器(2B)，及第二盤第三傳感器(3B)，具有至少三個傳感器的第二傳感器組用于檢測第二轉盤目標圖形，該至少三個傳感器環繞第二轉盤固定并包圍第二轉盤。本方法包括利用具有至少三個傳感器的第一傳感器組和具有至少三個傳感器的第二傳感器組檢測第一轉盤相對于第二轉盤的表觀扭轉，并根據測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度。
本發明包括一個扭矩測量系統。該扭矩測量系統包括繞第一轉盤中心z-軸旋轉的第一轉盤(A)；第一盤在x-y平面延伸；第一轉盤(A)具有目標圖形。該扭矩測量系統包括繞第二轉盤中心z-軸旋轉的第二轉盤(B)；第二盤在x-y平面延伸；第二轉盤(B)具有目標圖形。該扭矩測量系統包括一個以傳感器支架參考z軸為中心將其環繞的傳感器支架，該傳感器支架環繞第一轉盤和第二轉盤，包括第一盤第一傳感器(1A)、第一盤第二傳感器(2A)和第一盤第三傳感器(3A)；所述三個傳感器環繞第一轉盤固定并將其包圍，并且定位成用于檢測第一轉盤目標圖形。該傳感器支架包括第二盤第一傳感器(1B)、第二盤第二傳感器(2B)和第二盤第三傳感器(3B)；所述三個傳感器環繞第二轉盤固定并將其包圍，并且定位成用于檢測第二轉盤目標圖形。第一盤第一傳感器(1A)與第二盤第一傳感器(1B)相鄰放置；第一盤第二傳感器(2A)與第二盤第二傳感器(2B)相鄰放置；第一盤第三傳感器(3A)與第二盤第三傳感器(3B)相鄰放置。所述傳感器定位成用于檢測第一轉盤中心z-軸相對于傳感器支架參考z-軸的Δx偏移量和Δy偏移量以及第二轉盤中心z-軸相對于傳感器支架參考z-軸的Δx偏移量和Δy偏移量，從而確定第一轉盤(A)與第二轉盤(B)之間的實際扭轉角度θtwist。
本發明包括一個扭矩軸偏差測量系統。該扭矩軸偏差測量系統包括第一轉盤和繞第一旋轉中心z-軸旋轉的軸；第一轉盤在X-Y平面延伸。第一轉盤(A)具有圓周目標圖形。該扭矩軸偏差測量系統包括第二轉盤和繞第二旋轉中心z-軸旋轉的軸；第二轉盤在x-y平面延伸。第二轉盤(B)具有圓周目標圖形。第一轉軸和第二轉軸與位于第一轉盤和第二轉盤之間的旋轉中心聯接。該扭矩測量系統包括一個以傳感器支架參考z軸為中心將其環繞的傳感器支架，該傳感器支架環繞第一轉盤和第二轉盤，包括第一盤第一傳感器(1A)、第一盤第二傳感器(2A)和第一盤第三傳感器(3A)；所述三個傳感器(1A，2A，3A)環繞第一轉盤固定并將其包圍，用于檢測第一轉盤目標圖形。該傳感器支架包括第二盤第一傳感器(1B)、第二盤第二傳感器(2B)和第二盤第三傳感器(3B)；所述三個傳感器(1B，2B，3B)環繞第二轉盤固定，用于檢測第二轉盤目標圖形。第一盤第一傳感器(1A)與第二盤第一傳感器(1B)相鄰放置；第一盤第二傳感器(2A)與第二盤第二傳感器(2B)相鄰放置；第一盤第三傳感器(3A)與第二盤第三傳感器(3B)相鄰放置。所述傳感器用于檢測第一轉盤中心z-軸相對于傳感器支架參考z-軸的Δx偏移量和Δy偏移量以及第二轉盤中心z-軸相對于傳感器支架參考z-軸的Δx偏移量和Δy偏移量，從而確定第一轉盤(A)與第二轉盤(B)之間的實際扭轉角度θtwist。
本發明包括扭轉角度測量方法。該扭轉角度測量方法包括提供具有目標圖形的第一轉盤(A)；和具有目標圖形的第二轉盤(B)。本方法包括提供具有至少三個傳感器的第一傳感器組，第一傳感器組包括第一盤第一傳感器(1A)，第一盤第二傳感器(2A)，及第一盤第三傳感器(3A)；具有至少三個傳感器的第一傳感器組用于檢測第一轉盤目標圖形，其環繞第一轉盤固定并將其包圍。本方法包括提供具有至少三個傳感器的第二傳感器組，第二傳感器組包括第二盤第一傳感器(1B)，第二盤第二傳感器(2B)，及第二盤第三傳感器(3B)，具有至少三個傳感器的第二傳感器組用于檢測第二轉盤目標圖形，其環繞第二轉盤固定并將其包圍。本方法包括利用具有至少三個傳感器的第一傳感器組和具有至少三個傳感器的第二傳感器組檢測第一轉盤相對于第二轉盤的表觀扭轉，并根據測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度θtwist。
本發明包括扭轉角度測量系統。該扭轉角度測量系統包括繞第一轉盤中心z-軸旋轉的第一轉盤(A)；第一盤在x-y平面延伸；第一轉盤(A)具有目標圖形。該扭轉角度測量系統包括繞第二轉盤中心z-軸旋轉的第二轉盤(B)；第二盤在x-y平面延伸；第二轉盤(B)具有目標圖形。該扭矩測量系統包括一個以傳感器支架參考z軸為中心將其環繞的傳感器支架，該傳感器支架環繞第一轉盤和第二轉盤，包括第一盤第一傳感器(1A)、第一盤第二傳感器(2A)和第一盤第三傳感器(3A)；所述三個傳感器(1A，2A，3A)環繞第一轉盤固定并將其包圍，并且定位成用于檢測第一轉盤目標圖形。傳感器支架包括第二盤第一傳感器(1B)、第二盤第二傳感器(2B)和第二盤第三傳感器(3B)；所述三個傳感器(1B，2B，3B)環繞第二轉盤固定并將其包圍，并且定位成用于檢測第二轉盤目標圖形。第一盤第一傳感器(1A)與第二盤第一傳感器(1B)相鄰放置；第一盤第二傳感器(2A)與第二盤第二傳感器(2B)相鄰放置；第一盤第三傳感器(3A)與第二盤第三傳感器(3B)相鄰放置，這些傳感器被定位成用于檢測第一轉盤中心z-軸相對于傳感器支架參考z-軸的Δx偏移量和Δy偏移量，以及第二轉盤中心z-軸相對于傳感器支架參考z-軸的Δx偏移量和Δy偏移量，從而確定第一轉盤(A)與第二轉盤(B)之間的實際扭轉角度θtwist。
本發明的其它技術特征及優點將在隨后的內容中詳細描述；對于其中一部分，本領域技術人員根據描述便可明了，或可通過對本發明內容的實踐得到驗證；這些發明內容包括下述說明、權利要求及附圖。
應當理解，以上概述及隨后的詳述均是對本發明的典型描述，目的在于為理解如本發明所要求的本質和特征提供總體論述或框架。附圖有助于進一步理解本發明；它們被加入說明書中，構成其中的一部分。這些附圖給出本發明的不同實施例，并與說明書一起解釋本發明的工作原理和操作。
附圖內容
圖1示出本發明的一個實施例。
圖2A示出本發明的一個實施例。
圖2B示出本發明的一個實施例。
圖3示出本發明的一個實施例。
圖4示出本發明的一個實施例。
圖5A示出本發明的一個實施例。
圖5B示出本發明的一個實施例。
圖6示出本發明的一個實施例。
圖7給出本發明的性能。
圖8示出本發明的一個實施例。
圖9示出本發明的一個數據流實施例 圖10示出本發明的一個實施例。
圖11示出本發明的一個實施例。
圖12示出本發明的一個實施例。
圖13A給出本發明的性能。
圖13B給出本發明的性能。
具體實施例方式 下面詳細說明本發明的優選實施例；附圖示出其具體實例。
本發明包括測量扭矩的方法。本方法包括提供具有目標圖形22的第一轉盤20(盤A)；提供具有目標圖形26的第二轉盤24(盤B)；提供具有至少三個傳感器的第一傳感器組28，該第一傳感器組包括第一盤第一傳感器30(傳感器1A)(T1A)，第一盤第二傳感器32(傳感器2A)(T2A)，及第一盤第三傳感器34(傳感器3A)(T3A)；該具有至少三個傳感器的第一傳感器組28環繞第一轉盤20固定并將其包圍，用于同時檢測第一轉盤目標圖形22。本方法包括提供具有至少三個傳感器的第二傳感器組36，該第二傳感器組包括第二盤第一傳感器38(傳感器1B)(T1B)，第二盤第二傳感器40(傳感器2B)(T2B)，及第二盤第三傳感器42(傳感器3B)(T3B)。第二傳感器組36環繞第二轉盤24固定并且將其包圍，用于同時檢測第二轉盤目標圖形26。優選地，本方法包括根據第一盤、第二盤，或第一盤和第二盤確定各盤的瞬時旋轉軸速44。優選地，本發明包括測量第一盤20相對于第一傳感器組28的側向位移增量和角位移增量，以及第二盤24相對于第二傳感器組36的側向位移增量和角位移增量。優選地，盤20(盤A)的側向位移增量和角位移增量的測量是根據檢測盤A的傳感器30，32，34之間的相對計時測量而計算出來的。優選地，盤24(盤B)的側向位移增量和角位移增量的測量是根據檢測盤B的傳感器38，40，42之間的相對計時測量而計算出來的。本方法包括利用具有至少三個傳感器的第一傳感器組28和具有至少三個傳感器的第二傳感器組36測量第一轉盤20相對于第二轉盤24的表觀扭轉。優選地，表觀扭轉通過計算檢測盤A和盤B的傳感器之間的相對計時測量而獲得。本方法包括根據測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度θtwist，優選地利用測得的側向位移增量和角位移增量以及盤A和盤B的位移來確定。優選地，本方法包括利用確定的耦合順度從而根據實際扭轉角度來提供扭矩測量，其中，聯接件50的扭矩與其實際扭轉角度相關。優選地，本方法包括為第一轉盤20(盤A)和第二轉盤24(盤B)的側向位移提供補償。優選地，測量第一盤20相對于第一傳感器組28的側向位移增量和角位移增量以及第二盤24相對于第二傳感器組36的側向位移增量和角位移增量，并利用這些測量來確定測得的側向位移增量和角位移增量。優選地，提供第一傳感器組28包括在傳感器支架48上設置與第一盤20相隔一個傳感器間隔31的第一盤第一傳感器30(T1A)，與第一盤20相隔一個傳感器間隔33的第一盤第二傳感器32(T2A)和與第一盤20相隔一個傳感器間隔35的第一盤第三傳感器34(T3A)；并且本方法包括對第一盤20與第一盤第一傳感器30之間的間隔31的變化、第一盤20與第一盤第二傳感器32之間的間隔33的變化和第一盤20與第一盤第三傳感器34之間的間隔35的變化進行補償。優選地，提供第二傳感器組36包括在傳感器支架48上設置與第二盤24相隔一個傳感器間隔39的第二盤第一傳感器38(T1B)，與第二盤24相隔一個傳感器間隔41的第二盤第二傳感器40(T2B)和與第二盤24相隔一個傳感器間隔43的第二盤第三傳感器42(T3B)；并且本方法包括對第二盤24與第二盤第一傳感器38之間的間隔的變化、第二盤24與二盤第二傳感器40之間的間隔的變化和第二盤24與第二盤第三傳感器42之間的間隔的變化進行補償。優選地，本方法包括提供傳感器支架48，用于繞圓周固定至少具有三個傳感器的第一傳感器組28和至少具有三個傳感器的第二傳感器組36，其中第一盤第一傳感器30(T1A)與第二盤第一傳感器38(T1B)相鄰放置并對準，第一盤第二傳感器32(T2A)與第二盤第二傳感器40(T2B)相鄰放置并對準，第一盤第三傳感器34(T3A)與第二盤第三傳感器42(T3B)相鄰放置并對準；優選地，第一盤第一傳感器30與第二盤第一傳感器38軸向對準，第一盤第二傳感器32與第二盤第二傳感器40軸向對準，第一盤第三傳感器34與第二盤第三傳感器42軸向對準。更優選地，軸向對準的第一盤第一傳感器30和第二盤第一傳感器38、軸向對準的第一盤第二傳感器32和第二盤第二傳感器40、以及軸向對準的第一盤第三傳感器34和第二盤第三傳感器42與盤20和24的旋轉軸線為平行排列的關系。優選地，本方法包括對盤傳感器和盤之間的間隔變化(傳感器TnB和盤B傳感器間隔變化以及傳感器TnA和盤A之間的傳感器間隔變化，n＝1，2，3...)進行補償。優選地，提供第一轉盤20包括提供具有第一轉軸52的第一轉盤20；提供第二轉盤24包括提供具有第二轉軸54的第二轉盤24；其中第一轉軸52和第二轉軸54與位于第一轉盤20和第二轉盤24之間的旋轉中心56撓性聯接；本方法包括確定第一轉軸52和第二轉軸54之間的角偏移量，優選地通過測量并確定盤20和24之間的偏移量來提供軸偏移量。優選地，提供具有目標圖形22的第一轉盤20包括提供具有循環的圓周目標圖形22的第一轉盤20，該圓周目標圖形22由固定分布在盤20的圓周的多個目標元素23構成。在一個實施例中，目標圖形22間隔均勻。在一個實施例中，目標圖形22間隔不均勻。優選地，圖形目標元素23具有平行感測線21并與盤的旋轉軸線對準；被測的目標線邊緣21與盤邊緣垂直，優選地，與傾斜態相比，這些線21相對于盤邊緣是平行且垂直的。優選地，提供具有目標圖形26的第二轉盤24包括提供具有循環的圓周目標圖形26的第二轉盤24，圓周目標圖形26由固定分布在圓周的多個目標27構成。在一個實施例中，該圖形間隔均勻。在一個實施例中，該圖形間隔不均勻。優選地，圖形目標元素27具有平行感測線25并與轉盤的旋轉軸線對準；被測的目標線邊緣25與盤邊緣垂直，優選地，與傾斜態相比，這些線25相對于盤邊緣是平行且垂直的。優選地，提供至少具有三個傳感器的第一傳感器組28包括提供至少具有三個可變磁阻傳感器的第一傳感器組28。優選地，提供至少具有三個傳感器的第二傳感器組36包括提供至少具有三個可變磁阻傳感器的第二傳感器組36。在一個可選的優選實施例中，提供至少具有三個傳感器的第一傳感器組28包括提供至少具有三個光學傳感器的第一傳感器組28；提供至少具有三個傳感器的第二傳感器組36包括提供至少具有三個光學傳感器的第二傳感器組36。
本發明包括一個扭矩測量系統19。該系統包括繞第一轉盤中心z-軸60旋轉的第一轉盤20(盤A)，其中第一轉盤20在x-y平面內延伸并具有目標圖形22；繞第二轉盤中心z-軸62旋轉的第二轉盤24(盤B)，其中第二轉盤24在x-y平面內延伸并具有目標圖形；以傳感器支架參考z-軸64為中心的傳感器支架48，該支架環繞第一轉盤20和第二轉盤24，包括第一盤第一傳感器30(T1A)，第一盤第二傳感器32(T2A)和第一盤第三傳感器34(T3A)；所述三個傳感器環繞第一轉盤固定20并將其包圍，并且被定位成用于同步檢測第一轉盤目標圖形22，并指向中心z-軸60；傳感器支架48包括第二盤第一傳感器38(T1B)，第二盤第二傳感器40(T2B)和第二盤第三傳感器42(T3B)；所述三個傳感器環繞第二轉盤24固定并將其包圍，并且被定位成用于同步檢測第二轉盤26，并指向中心z-軸62；第一盤第一傳感器30與第二盤第一傳感器38相鄰放置；第一盤第二傳感器32與第二盤第二傳感器40相鄰放置；第一盤第三傳感器34與第二盤第三傳感器42相鄰放置。所述傳感器用于檢測第一轉盤中心z-軸60相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量和相對于傳感器支架48的θx偏移量和θy偏移量，以及第二轉盤中心z-軸62相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量和相對于傳感器支架48的θx偏移量和θy偏移量，從而根據測得的表觀扭轉和偏移量確定第一轉盤20與第二轉盤24之間的所有實際扭轉角度θtwist，其中實際扭轉角度根據聯接件50的預先確定的偶聯順度提供扭矩測量。優選地，這些傳感器平行于傳感器支架參考z-軸64進行固定。優選地，第一轉盤20包括第一轉軸52；第二轉盤34包括第二轉軸54；其中第一轉軸52和第二轉軸54與位于第一轉盤20和第二轉盤24之間的旋轉中心56撓性聯接。優選地，第一轉盤目標圖形22包括循環的圓周目標圖形，該目標圖形由固定分布在圓周的多個目標23構成。優選地，第二轉盤目標圖形26包括圓周目標圖形，該目標圖形由固定分布在圓周的多個目標27構成。優選地，第一盤第一傳感器30、第二盤第一傳感器38、第一盤第二傳感器32、第二盤第二傳感器40、第一盤第三傳感器34和第二盤第三傳感器42為可變磁阻傳感器。在可選的優選實施例中，第一盤第一傳感器30、第二盤第一傳感器38、第一盤第二傳感器32、第二盤第二傳感器40、第一盤第三傳感器34和第二盤第三傳感器42為光學傳感器。
本發明包括一個扭矩軸偏差測量系統19。該系統包括繞第一旋轉中心z-軸60旋轉的第一轉盤20及軸，其中第一盤在x-y平面內延伸，第一轉盤20(盤A)具有圓周目標圖形22；繞第二轉盤中心z-軸62旋轉的第二轉盤24及軸，其中第二盤在x-y平面內延伸，第二轉盤24(盤B)具有圓周目標圖形26第一轉軸52和第二轉軸54通過聯接件50與第一轉盤20和第二轉盤24之間的旋轉中心56撓性聯接。本發明包括一個以傳感器支架參考z-軸為中心的傳感器支架，該支架環繞第一轉盤20和第二轉盤24，包括第一盤第一傳感器30(T1A)、第一盤第二傳感器32(T2A)和第一盤第三傳感器34(T3A)環繞第一轉盤和第二轉盤；所述三個傳感器環繞第一轉盤固定并將其包圍，且被定位成用于同步檢測第一轉盤目標圖形，并指向中心z-軸60。傳感器支架48包括第二盤第一傳感器38(T1B)，第二盤第二傳感器40(T2B)和第二盤第三傳感器42(T3B)所述三個傳感器環繞第二轉盤24固定并將其包圍，且被定位成用于同步檢測第二轉盤26，并指向中心z-軸62；第一盤第一傳感器與第二盤第一傳感器相鄰放置；第一盤第二傳感器與第二盤第二傳感器相鄰放置；第一盤第三傳感器與第二盤第三傳感器相鄰放置；所述傳感器用于檢測第一轉盤中心z-軸60相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量，以及第二轉盤中心z-軸62相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量，從而確定第一轉盤20(盤A)與第二轉盤24(盤B)之間的實際扭轉角度θtwist和位于旋轉中心56的第一旋轉中心z-軸60與第二旋轉中心z-軸62之間的偏移增量，以提供測得的扭矩和測得的軸偏移量。優選地，這些傳感器固定時平行于傳感器支架參考z-軸64。優選地，第一盤第一傳感器30、第二盤第一傳感器38、第一盤第二傳感器32、第二盤第二傳感器40、第一盤第三傳感器34和第二盤第三傳感器42為可變磁阻傳感器。在可選的優選實施例中，一盤第一傳感器30、第二盤第一傳感器38、第一盤第二傳感器32、第二盤第二傳感器40、第一盤第三傳感器34和第二盤第三傳感器42為光學傳感器。
本發明包括扭轉角度的測量方法。本方法包括提供具有目標圖形22的第一轉盤20(盤A)，提供具有目標圖形26的第二轉盤24(盤B)，提供具有至少三個傳感器的第一傳感器組28，其包括第一盤第一傳感器30(傳感器1A)(T1A)，第一盤第二傳感器32(傳感器2A)(T2A)，及第一盤第三傳感器34(傳感器3A)(T3A)。該具有至少三個傳感器的第一傳感器組28同時檢測第一轉盤目標圖形22，該至少三個傳感器環繞第一轉盤20固定并將其包圍。本方法包括提供具有至少三個傳感器的第二傳感器組36，包括第二盤第一傳感器38(傳感器1B)(T1B)，第二盤第二傳感器40(傳感器2B)(T2B)，及第二盤第三傳感器42(傳感器3B)(T3B)。具有至少三個傳感器的第二傳感器組36同時檢測第二轉盤目標圖形26；它環繞于第二轉盤固定并將其包圍。優選地，本方法包括根據第一盤、第二盤，或第一盤和第二盤確定盤的瞬時旋轉軸速44。優選地，本發明包括測量第一盤20相對于第一傳感器組28的側向位移增量和角位移增量，以及第二盤24相對于第二傳感器組36的側向位移增量和角位移增量。優選地，盤20的側向位移增量和角位移增量根據測量盤20的傳感器組28中的傳感器的相對計時測量計算而來的。優選地，盤24的側向位移增量和角位移增量根據測量盤24的傳感器組36中的傳感器的相對計時測量計算而來。本方法包括用具有至少三個傳感器的第一傳感器組28和具有至少三個傳感器的第二傳感器組36測量第一轉盤20相對于第二轉盤24的表觀扭轉。優選地，表觀扭轉測量根據測量盤20A與盤24B的傳感器之間的相對計時測量計算而來。本方法包括根據測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度θtwist，優選地，利用已測得的側向位移增量和角位移增量以及盤20(盤A)與盤24(盤B)之間的位移進行計算。優選地，本方法包括為第一轉盤20(盤A)和第二轉盤24(盤B)的側向位移提供補償。優選地，通過測量第一盤20相對于第一傳感器組28的側向位移增量和角位移增量以及第二盤24相對于第二傳感器組36的側向位移增量和角位移增量來確定測得的側向位移增量和角位移增量。優選地，提供第一傳感器組28包括提供傳感器支架48，其中第一盤第一傳感器30(TIA)與第一盤由間隔31分隔，第一盤第二傳感器32與第一盤由間隔33分隔，第一盤第三傳感器34(T3A)與第一盤由間隔35分隔。本方法包括補償第一盤第一傳感器30(TIA)與第一盤20之間的間隔31的變化，補償第一盤第二傳感器32(T2A)與第一盤20之間的間隔3的變化，和補償第一盤第三傳感器34(T3A)與第一盤20之間的間隔3的變化。優選地，提供第二傳感器組36包括提供傳感器支架48，其中第二盤第一傳感器38(T1B)與第二盤24由間隔39分隔，第二盤第二傳感器40(T2B)與第二盤24由間隔41分隔，第二盤第三傳感器42(T3B)與第二盤24由間隔43分隔。本方法包括補償第二盤第一傳感器38(TIB)與第二盤24之間的間隔39的變化；補償第二盤第二傳感器40(T2B)與第二盤24之間的間隔41的變化；和補償第二盤第三傳感器42(T3B)與第二盤24之間的間隔43的變化。優選地，本方法包括提供傳感器支架48，以繞其圓周固定具有至少三個傳感器的第一傳感器組28和具有至少三個傳感器的第二傳感器組36的定位，其中第一盤第一傳感器30(T1A)與第二盤第一傳感器38(T1B)相鄰放置并對準；第一盤第二傳感器32(T2A)與第二盤第二傳感器40(T2B)相鄰放置并對準；第一盤第三傳感器34(T3A)與第二盤第三傳感器42(T3B)相鄰放置并對準。優選地，第一盤第一傳感器與第二盤第一傳感器軸向對準；第一盤第二傳感器與第二盤第二傳感器軸向對準；第一盤第三傳感器與第二盤第三傳感器軸向對準。更優選地，軸向對準的第一盤第一傳感器和第二盤第一傳感器、軸向對準的第一盤第二傳感器和第二盤第二傳感器、以及軸向對準的第一盤第三傳感器和第二盤第三傳感器與盤20和24的旋轉軸線平行排列。優選地，本方法包括對盤傳感器和盤之間的間隔變化進行補償。優選地，提供第一轉盤20包括提供具有第一轉軸52的第一轉盤20；提供第二轉盤24包括提供具有第二轉軸54的第二轉盤24；其中第一轉軸52和第二轉軸54與位于第一轉盤和第二轉盤之間的旋轉中心56撓性聯接。本方法包括確定第一轉軸52和第二轉軸54之間的角偏移量，優選地通過測量并確定盤20和24之間的偏移量來提供軸偏移量而進行確定。優選地，提供具有目標圖形22的第一轉盤20包括提供具有循環的周邊目標圖形22，其由多個目標23構成并固定分布在圓周。在一個實施例中，該圖形間隔均勻。在一個實施例中，該圖形間隔不均勻。優選地，圖形目標元素23具有平行感測線21并與轉盤的旋轉軸線對準；被測的目標線邊緣21與盤邊緣垂直，優選地，與傾斜態相比，這些線21平行且垂直。優選地，提供具有目標圖形26的第二轉盤24包括提供具有循環的圓周目標圖形26，其由多個目標27構成并固定分布在圓周。在一個實施例中，該圖形間隔均勻。在一個實施例中，該圖形間隔不均勻。優選地，圖形目標元素27具有平行感測線25并與轉盤的旋轉軸線對準；被測的目標線邊緣25與盤邊緣垂直，優選地，與傾斜態相比，這些線25平行且垂直。優選地，提供至少具有三個傳感器的第一傳感器組28包括提供至少具有三個可變磁阻傳感器的第一傳感器組28。優選地，提供至少具有三個傳感器的第二傳感器組36包括提供至少具有三個可變磁阻傳感器的第二傳感器組36。在一個可選的優選實施例中，提供至少具有三個傳感器的第一傳感器組28包括提供至少具有三個光學傳感器的第一傳感器組28。在一個可選的優選實施例中，提供至少具有三個傳感器的第二傳感器組36包括提供至少具有三個光學傳感器的第二傳感器組36。
本發明包括扭轉角度測量系統19。該系統包括繞第一旋轉中心z-軸60旋轉的第一轉盤20(盤A)，其中第一盤20在x-y平面內延伸，第一轉盤20具有目標圖形22；繞第二轉盤中心z-軸62旋轉的第二轉盤24(盤B)，其中第二盤24在x-y平面內延伸，第二轉盤24具有目標圖形26，傳感器支架48以傳感器支架參考z-軸64為中心分布，其環繞第一轉盤20和第二轉盤24，包括第一盤第一傳感器30(T1A)、第一盤第二傳感器32(T2A)和第一盤第三傳感器34(T3A)；所述三個傳感器環繞第一轉盤20固定并將其包圍，且被定位成用于同時檢測第一轉盤目標圖形22，并指向中心z-軸60。傳感器支架括第二盤第一傳感器38(T1B)、第二盤第二傳感器40(T2B)和第二盤第三傳感器42(T3B)；所述三個傳感器環繞第二轉盤固定24用于測量第二轉盤目標圖形26，并指向中心z-軸62。第一盤第一傳感器30(T1A)與第二盤第一傳感器38(T1B)相鄰放置，第一盤第二傳感器32(T2A)與第二盤第二傳感器40(T2B)相鄰放置，第一盤第三傳感器34(T3A)與第二盤第三傳感器42(T3B)相鄰放置；所述傳感器被定位成用于檢測第一轉盤中心z-軸60相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量以及第一轉盤相對于傳感器支架的θx偏移量和θy偏移量，和檢測第二轉盤中心z-軸62相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量以及第二轉盤相對于傳感器支架的θx偏移量和θy偏移量，從而根據測得的表觀扭轉和偏移量確定第一轉盤20與第二轉盤24之間的實際扭轉角度θtwist。優選地，這些傳感器固定成與傳感器支架參考z-軸64平行排列。優選地，第一轉盤20包括第一轉軸52；第二轉盤24包括第二轉軸54；其中第一轉軸52和第二轉軸54與位于第一轉盤20和第二轉盤24之間的旋轉中心56撓性聯接。優選地，第一轉盤目標圖形22包括具有循環的圓周目標圖形，該目標圖形由固定分布在圓周的多個目標23構成。優選地，第二轉盤目標圖形26包括圓周目標圖形，該目標圖形由固定分布在圓周的多個目標27構成。優選地，第一盤第一傳感器30，第二盤第一傳感器38，第一盤第二傳感器32，第二盤第二傳感器40，第一盤第三傳感器34和第二盤第三傳感器42為可變磁阻傳感器。在可選的優選實施例中，一盤第一傳感器30，第二盤第一傳感器38，第一盤第二傳感器32，第二盤第二傳感器40，第一盤第三傳感器34和第二盤第三傳感器42為光學傳感器。
本發明利用轉速計傳感器提供精確可靠的扭轉和對準測量。本發明中用于測量角度和對準的創造性方法/系統優選地包括兩個目標盤20和24，以及多個環繞目標盤定位的傳感器；優選地，所述傳感器用傳感器殼體支架48牢固安裝。圖1示出了分別以盤A和盤B標記的第一旋轉目標盤20和第二旋轉目標盤24。如圖1所示，兩盤主要平行于x-y平面進行取向，并繞主要平行于z-軸的軸線旋轉。每個盤在其外周邊處具有目標圖形22和26，優選地，在外周邊處標有、刻有或嵌有特定的循環圖形。兩盤固定地連接到聯接件50，優選地，聯接件50為撓性聯接件和/或軸聯接件，我們通過其測量扭轉和/對準。由于目標圖形可直接整合為軸或聯接的一部分，所以目標盤20和24不需要是附加到待測軸聯接系統中的分離元件。為了避免缺少一致性，本說明書將目標盤20和24作為分離的轉盤。
如圖1所示，傳感器殼體支架48為三個分離的條或臂49，其上具有環繞轉盤20和24的傳感器T。臂49可在任何一端被聯接在一起或可被構造成包含所有傳感器的單個機械構件。
優選地，目標盤20和24為剛性本體，優選地所述盤不具有彎曲性或撓性。
優選地，傳感器殼體支架48為剛性本體，優選地，傳感器T(30，32，34，38，40，42)之間在傳感器殼體48內不發生相對移動。
優選地，傳感器殼體48界定了一個x-y-z絕對坐標系殼體參考框架。相對于殼體參考框架48進行測量。注意，當剛性傳感器殼體48相對于內部參考框架發生移動時，該絕對坐標系可移動。
目標盤20和24旋轉時，二者均可在各自的六個剛性本體自由度內移動。隨時間變化的目標盤移動可相對于傳感器殼體48進行和/或相對于彼此進行。圖1示出各盤的旋轉軸線可以不與傳感器殼體48的軸64重合或平行。圖中示出盤A中心的偏移量為{ΔxA，ΔyA}，盤B中心的偏移量為{ΔxB，ΔyB}。
盤的位移{ΔxA(t)，ΔyA(t)}和{ΔxB(t)，ΔyB(t)}能夠隨時間變化；優選地，位移的幅度主要集中于或小于軸旋轉頻率。這就在軸的漸增或小部分旋轉中提供了位移的準穩定性。優選地，本申請使用脈沖時間間隔的直觀測量，該脈沖由目標圖形22和26的通過而產生。
目標圖形22和26優選地具有一個角度范圍(φ-方向)，其相對于一個回轉較小，優選地小于10度。例如，在測量期間，持續繞軸四分之一回轉(90度)的轉速計脈沖將捕捉到軸的不穩定運動，這將導致該脈沖持續期的測量誤差。
圖4中的環70表示界限，其限定了目標盤20和24的旋轉和移動。注意，該界限無需為有形界限。例如，目標盤移出界外會導致盤與傳感器殼體48之間不必要的接觸。
至于目標圖形22和26，盤A和盤B優選地是彼此相同的。另外，盤20和24優選地如此安裝以至于在零轉角/零偏移量時，兩組目標圖形22和26在φ-方向上彼此對準(如圖1所示，在x-y平面中測量，繞殼體的x-軸逆時針旋轉)。圖1所示的傳感器臂49特意示出為三個獨立的元件，這樣一來每一個臂中的傳感器T優選地相對于殼體坐標系位于相同的角度位置。例如，傳感器T3A和T3B均被安裝在角度φ3處。這個優選的設置并不是必須的因為，如果T3A和T3B以不同的角度安裝，φ3A≠φ3B，盤A和盤B在安裝時可相應地進行相對扭轉以抵消這些傳感器之間的角度偏移。一個不太必須但不失可行性的選擇是實施校準步驟，其要求對零扭轉/零偏移量狀態具有準確的推斷知識，這樣相關計時延遲的偏差可以被校準。
優選地，當與組28，36中的數字轉速計傳感器等十分相近時，待測圖形的目標元件區域23，27導致邏輯真值或高值；類似的，感測線21，25的另一側的相鄰區域導致邏輯偽值或低值。當盤以軸轉動頻率旋轉時，目標圖形通過組28，36中的轉速計傳感器將產生具有基本變化的負載循環的模擬或數字脈沖序列輸出信號。對十分相近的精確定義取決于傳感器組28，36中使用的轉速計傳感器的類型以及對目標圖形的具體物理實現(物理實現，mechanical realization)。優選地，當感測線圖形邊緣穿過位于當前盤的旋轉中心和傳感器T之間的劃線時，轉速計傳感器T被高觸發或低觸發。無論該線于盤的邊緣在何處交叉，該點即為距離傳感器T最近的點。軸速可隨時間變化，但優選地具有準穩定性；優選地，在軸的遞增或小部分旋轉中，軸轉速44基本恒定(優選地恒定且部分旋轉度小于45度)。
為避免不一致性，認為盤A為參考盤；因此將測量盤B相對于盤A的扭轉和對準。
關于目標圖形22和26，圖2示出了位于目標盤20，24之上的一個傳感器臂49的俯視圖實施例，作為優選實施。圖2A還示出了最小傳感器組(2個傳感器/臂49，6個傳感器/殼體48)的目標盤上的優選目標圖形。圖2B示出了冗余傳感器組(傳感器T和額外的冗余傳感器M)(4個傳感器/臂49，12個傳感器/殼體48)的實施例圖形。目標圖形的精確幾何圖形由盤將產生的軸向(z-向)偏差量決定。對于其它特征，允許圖形有多種不同變化。
本發明優選地利用瞬時的軸速度44信息根據扭轉和對準測量來測量速度。通過測量目標感測線上的兩個連續升起(或下降)的邊緣之間的時間，可利用任一轉速計傳感器確定軸速度。這一過程在數學上可表達如下
其中φ0(弧度)為目標圖形22，26的感測線前部(或后部)邊緣之間的給定角距離；Δt(↑1Ak↑1Ak+1)表示兩個連續上升的邊緣經過傳感器T1A的時間間隔； Δt(↓1Ak↓1Ak+1)表示兩個連續下降的邊緣經過傳感器T1A的時間間隔。圖3示出了這些計時定義以及其它兩個脈沖寬度定義。同時，圖3還示出了根據轉速計信號進行計時測量的符號定義。
計時測量由驅動計數器的高速時鐘執行，其始于一上升(或下降)邊緣，止于或重置于下一個上升(或下降)邊緣。在圖1的優選實施例中，有六個傳感器T可被用于獲取速度(計時)測量值。如有必要，可根據上升和下降邊緣及多個傳感器T對速度估計值進行平均，從而獲得瞬時速度估計值。
優選地，通過首先測量各目標盤圓周上三點(Δz1，Δz2Δz3)的位移增量來計算偏移量測量值，優選地，利用多個傳感器組28，36進行測量，如使用圖1中的三個傳感器臂49。通過測量目標圖形22，26的通過所引起的脈沖持續期來測量目標盤相對于傳感器殼體48的位移增量。關于圖2A，通過傳感器TA或TB的上升邊緣對軸向位移不敏感，但下降邊緣將成為軸向位移Δz的一個函數。通過測量上升和下降邊緣之間的時間間隔并獲知軸速，便可通過下式計算出該傳感器處的軸向位移{Δz}
其中n＝{1，2，3}為傳感器數量，M為已知斜度，其由目標圖形明確限定并使沿z-軸的位移變化與圖形的相應的角度范圍相關。脈沖寬度持續期Δt前已述及，并在圖3中示出。關于圖2B所示的冗余傳感器系統，其不僅可以測量分別通過傳感器M和T的上升和下降邊緣之間的脈沖寬度，而且能夠同時測量兩個傳感器的上升(下降)邊緣之間的時間間隔。該架構為冗余的；對非冗余架構一般會要求重復多次相同的過程。
一旦獲知各盤周邊三個獨立點處的軸向位移，即{Δz1A，Δz2A，Δz3A}和{Δz1B，Δz2B，Δz3B}，便可用確定兩平面間的角變化的矢量法來計算角偏移量。圖4示出計算目標盤上的法向矢量的矢量圖。目標盤上的三點由x-y-z絕對坐標系中的矢量表示。對于一個普通的盤而言，這些矢量由下式表示(圖4未示出) 其中r0為目標盤的法向半徑，
，
和
分別為在x-軸方向，y-軸方向和z-軸方向的單位矢量。如下所示，名義距離Zno min al為任意值。為計算指定盤的法向矢量，需獲得該盤上的兩個矢量。圖4指出了三種可能的途徑 從公式4可以看出，只需測量相對位移{Δz}。其它量均為常數且已知。沿z-軸的絕對位置以及盤沿x-軸方向和y-軸方向的移動均已抵消，因此不作要求。這樣便可按下式類似并地計算盤A和盤B地法向矢量 NA＝V32A×V21A＝V13A×V32A＝V21A×V13A (5) NB＝V32B×V21B＝V13B×V32B＝V21B×V13B 三個矢量的任意交差乘積均應相等；但在實踐中最好充分利用冗余即平均或使用多余的測量值來判斷潛在的問題。最后，表示偏移量主要測量的兩個法向矢量之間的角度偏差θalignment按下式計算 單獨測量偏移量需要獲得六個轉速計傳感器T中的最小值，以提供合適的信息。為增加對準測量值的冗余，最好至少增加兩個額外傳感器，優選地如增加一個具有第一盤第四傳感器和第二盤第四傳感器的第四支架傳感器臂49。下面將把對準的次級測量作為扭轉測量過程的副產品進行描述。
優選地，本發明提供扭轉測量，其中測得的扭轉被作為盤B相對于盤A繞z-軸的角位移。優選地，該測量扭轉的方法包括測量從盤A和盤B上相應傳感器發出的脈沖感測線上升(或下降)邊緣之間的計時差。利用前述為三個傳感器臂49定義的符號，有三個可能的測量 上升或下降邊緣皆可使用(兩者須等效)，但只有三個計時測量是獨立的(即上述每一對中的一個)。
有一種非常特殊的情況是盤A和盤B的偏移均為零，即ΔxA＝ΔxB＝0且ΔyA＝ΔyB＝0，此時式(7)中的任一測量和由式(1)得出的軸的瞬時轉速將產生一個簡單且冗余的扭轉測量。
式(7)中的計時測量會因目標盤的偏移位移而失真。此時式(8)中LHS上的量，即
和
為表觀扭轉角度。圖5示出了與目標盤的x-y移動相關的計時效果分析。為闡明此點內容，首先如圖5所示只考慮參考盤。
圖5A示出盤A完全以傳感器殼體48的x-y-軸為中心。為簡便起見，在盤的圓周上畫有一個凹槽。首先如圖5A楔形陰影區域所示，將凹槽向上轉至距離x-軸一定弧度φ的傳感器T處。接著如圖5B所示，假設盤A固定地偏移傳感器殼體48的軸64。在圖5B的偏移例中，使凹槽旋轉相同的弧度顯然會導致其移過該傳感器。圖6為圖5的放大圖；它限定了一些其它角度，以提供扭轉測量的詳細分析圖。如圖6所示，凹槽只需旋轉ψ弧度即可到達圖5B的偏移例內的傳感器。絕對角ψ實際上與本分析無關。關鍵參數是相對角α≡φ-ψ。該相對角可以被看作是旋轉中心偏移引起的表觀角度偏差，它由位于φ處的傳感器測量，這樣就有α＝α(φ，Δx，Δy)。該偏差顯然對扭轉角度以及來自轉速計傳感器的計時脈沖的測量具有重要影響。幸運的是，角度偏差α能夠與位移參數相關。如果結合圖6所示三角形在x-軸和y-軸方向的分量并將所得的兩式相除可得 由對α的幾何定義可知 其中，φ仍為傳感器T的已知位置，R為傳感器殼體的半徑。由于未知位移Δx和Δy為超越函數的自變量，公式(10)繁瑣難用。對于小位移，公式(10)可簡化如下 由于Δx和Δy線性相關，公式(11)更為簡單易用。圖7比較了一個直徑10英寸且與傳感器殼體具有0.200英寸法向間隙的盤根據式(10)計算得到的確切值和根據式(11)計算得到的近似值。圖7中角度偏差為傳感器角度φ的函數。圖7示出了角度偏差的小移動近似值。圖7中的粗線代表確切值；粗線間細的隱含的線代表近似值。圖7示出四種偏移情況的結果1)無偏移，2)僅發生x-軸方向偏移，3)僅發生y-軸方向偏移，和4)同時發生x-軸方向和y-軸方向的偏移。直觀上，圖7中的結果也是正確的。以圖7中第2)種偏移情況為例，由于僅發生x-軸方向的偏移，在φ＝0°或φ＝180°處不會產生任何偏移，而在φ＝+90°和φ＝-90°時偏差最大。使用等式(11)中的計算簡便但結果準確的近似值會強烈影響為滿足式(11)所示的小相對位移假定而對傳感器殼體(即半徑R)的設計。
等式(8)給出表觀扭轉角度的簡便測量。上述分析表明該測量因各盤的位移偏移而失真。另外，盤B相對于盤A的純粹扭轉會導致盤B上所有傳感器相對于盤A上對應傳感器發生相同的角偏移。這一與扭轉相關的相同的角偏移為最終需要測量的量。利用等式(8)和(10)或(11)的結果，可使表觀扭轉角度與實際扭轉角按下式關聯
其中n為傳感器對的數量。可以發現，當偏差項為零時表觀扭轉等同于實際扭轉。
盡管等式(12)能生成三個等式，但如上標x′s(x)所示，其中共有5個未知數。利用圖1所示的傳感器配置可以僅根據盤A上的傳感器另外提取出約束方程。引用上述相同推論能夠測量盤A上成對傳感器上升(或下降)邊緣之間的計時差，從而得到以下三個等式
這三個等式中只含有兩個未知數。利用由式(11)得出的近似值便能夠任意選擇(13)中的兩個等式來求解未知的位移偏移。例如，(13)中的前兩個等式可以寫成如下矩陣形式
該矩陣可求解且不具有特異情形，原因在于一般總能選擇傳感器的位置。如有必要，可以利用(13)中的三個等式來求得最小二乘解。
將由等式(14)求得的盤A的位移偏移解和由等式(8)求得的測量值替代到等式(12)中便得到三個等式和三個未知數
等式(15)仍可求解，且沒有特異情形，理由同上。除了提供扭轉角度θtwist的測量值以外，等式(15)和(14)還能夠提供軸對準的次級測量值，即{ΔxA，ΔyA，ΔxB，ΔyB}。如上所述，扭轉和對準測量要求以準確的計時測量值Δt的形式輸入數據流。轉速計信號的上升和下降感測線邊緣為何時測量時間提供了觸發輸入，但實際上這些感測線邊緣的出現有賴于轉軸的速度44。對上升和下降感測線邊緣的計時測量相對于固定時鐘而言是異步的。最終需要將異步數據流轉化成同步數據流，以便能夠以固定的時間間隔有規則地提供扭轉和對準測量。
為了解對數據流的要求，首先來看圖8所示的簡單例子。其中目標為盤周邊的突出區域。本例中，各盤的周邊僅有N＝8個目標圖形，即編號為0到7的8個突出的目標區域。盤A上突出的目標區域23界于各自的目標感測線21之間。盤B上突出的目標區域27界于各自的目標感測線25之間。實踐中優選構成圖形的目標數目多于此數。各圖形依次從0至7編號。如圖8所示，對一個給定傳感器而言，各目標均將產生一個上升邊緣和一個下降邊緣。有多種可能的方式來采集Δt測量需要的數據。圖9所示的數據流圖為處理計時數據的優選方法。
圖1所示的六個轉速計產生模擬輸出，即便他們已經在傳感器內包含了數字域值電路。通過模擬，發現上升或下降邊緣能夠在數字時鐘無法量化的任意時間出現。模擬信號由傳感器T輸出后緊接著被輸入到圖9中的12個觸發塊78中。接著，流程圖中示出了一個由能夠輸出高速計數數據的高速數字時鐘驅動的高速模塊-M計數器。高速計數數據被輸入由12個觸發塊78形成的陣列。這些觸發塊78能夠被看作是由模擬的上升或下降邊緣觸發的樣本-和-儲存裝置。數據在觸發塊輸出端變化的平均速率完全取決于如圖9所示的目標圖形的速度和數量。12個觸發塊中的輸出信號被輸入12個環形緩存器80中。盡管12個觸發塊78中的輸出信號通常不會同時獲得，但是能夠確定可獲得與第K個目標相關的一組完整的(即所有12個)輸出信號的時間。該數據儲存在12個N-深度的環形緩存器80中；緩存器80包含為各轉速計傳感器在上升和下降邊緣采集的計數值。軸的每一次旋轉之后，環形緩存器80將完全刷新。圖9中，這些矢量數據由環形緩存器80的輸出箭頭表示。
只要高速計數器大到足夠測量一個轉速計傳感器的任意兩個連續上升的邊緣之間的完整時間間隔，將不難產生由溢流導致的高速計數重疊。
每一個環形緩存器都將產生N條信息，用于生成完整的N-1組Δt數據，以計算每一次旋轉的N-1個不同的扭轉和對準測量。也許有人會嘗試使用某種平均方案來進一步減少數據組。該方案在某些形式下是可行的，但優選地是分析來自適當的測試裝置的試驗數據。顯然，上述假設允許在一個完整的旋轉中出現變化的情形。這些變化的性質將指示究竟該如何進行平均。一旦分析過一套完整的實驗測量數據，本領域技術人員顯然知道如何正確地平均這些數據。
使用圖1中的系統，傳感器T為可變磁阻傳感器，六個傳感器的初始設置均為在0度偏移量處具有0.100英寸的間隔。在零度和1度偏移量處并且在速度為4000，5000，6000和7000rpm的條件下采集精確可變磁阻計時數據。在每一個角度偏移量/速度條件下，負載扭矩從零負載以10％的增量變到的最大負載。利用National Instruments PCI-660280MHz計數器/計時器儀表盤同時記錄各傳感器T的精確可變磁阻計時數據。根據計時數據準確預測扭轉角度。本發明從無接觸轉速計探針傳感器，如可變磁阻裝置傳感器，提供因目標通過而產生的精確計時信號的準確測量。特別地，本發明提供一種由傳感器和目標之間的間隔變化引起的測量誤差的補償方法。本發明的優選方法是直接補償間隔變化引起的誤差。
使用無接觸轉速計探針傳感器來檢測目標的通過，其中因傳感器和目標之間的名義間隔變化導致轉速計傳感器信號變差，因此本發明是有用的。本發明提供一個扭矩測量系統19，其利用六個可變磁阻傳感器陣列檢測撓性聯接件50的目標盤圓周圖形。在一個優選的實施例中，撓性聯接件50可承受的角偏移量可高達2.5度，顯著偏離于常見又需補償的名義間隔。
任意給定傳感器T處的表觀角度偏差記做 首先討論Δx＝Δy＝0的情形。假設待測目標為給定盤(如盤A)上的任意兩個傳感器T之間的角度，且假設傳感器經校準(物理放置)后以便名義上使所有相關角度為零(以齒間距為模量)，可測量如下
接著，允許出現側向偏移，即Δx≠0和/或Δy≠0，則等式(2)不再成立。如述，等式(A1)能夠用來預測被測值應為
實踐中可根據被測值利用(A3)求解側向偏移
事實上，求解側向偏移Δx和Δy只需要三個等式中的兩個；但三個等式可以被一起用來計算最佳的最小二乘估計值。
現在將特定傳感器處的間隔變化對表觀角度偏差的影響考慮進來。對該分析，假設角度偏差的線性變化為關于名義間隔的間隔變化的一個函數
其中R為傳感器支架48的半徑；r為目標盤的半徑；(R-r)為名義間隔；K為角度偏差對間隔變化的敏感度。圖10示出了計算作為側向偏移的一個函數的間隔的幾何圖形。函數g()代表對于給定側向偏移Δx和Δy在特定的傳感器T處的實際間隔。注意，該間隔僅為側向偏移和已知常數的函數。
由圖10的三角形，可用復數標號表示下列矢量方程 Rejφ＝Rcosφ+jRsinφ＝(Δx+jΔy)+q(A6a) 用(A6a)求解未知矢量q可得 q＝(Rcosφ-Δx)+j(Rsinφ-Δy) (A6b) 利用(A6b)，間隔可簡單表示為 等式(A7)可略微簡化為 將(A8)代入(A5)可得 與上述分析非常相似，對于小位移而言，等式(A8)可按下式近似得出 將(A1)和(A10)的近似值代入由等式(A9)給出的準確形式，可得如下近似值 最后將(A11)的近似值代入等式(A3)可以得到等式(A4)的拓展公式
其中sij＝sinφi-sinφj且cij＝cosφi-cosφj。對于K＝0的情形，等式(A4)獲得從等式(A4)獲得的初始結果。
從等式(A12)可以看出，在實踐中間隔補償為側向移動補償的增加。使用圖1中的系統，傳感器T為可變磁阻傳感器，六個傳感器的初始設置均為在0度偏移量處具有0.100英寸的間隔。當轉速為7000rpm時，對準角度范圍為-2.25度到+2.25度。在每一個角度偏移量條件下，利用National Instruments PCI-6602 80MHz計數器/計時器儀表盤同時記錄各傳感器的精確可變磁阻計時數據。
本發明利用一組無接觸轉速計傳感器探針，如可變磁阻傳感器，來測量兩轉軸之間的角對準。
本發明利用扭矩測量系統19的元件采集處理扭矩所需的角對準信息。
圖11示出了本發明的一個優選實施例，其中撓性隔膜聯接件50具有優選的圓周目標23，27，其位于嵌在每個聯接法蘭盤中的隔膜的任一側。目標23，27實際上為與旋轉軸線平行的輪齒。六個可變磁阻目標傳感器T三個一組地分設在兩個目標盤上，用于測量輪齒目標通過的計時。目標盤在x-y平面內繞z-軸旋轉。使用如圖11的目標盤，尚無已知途徑能夠測量軸向(即z-軸方向)位移。
圖12示出了聯接件50的軸偏移引起的撓性聯接偏差。如圖12所示，聯接中心，或稱順度中心或旋轉中心56主要位于所聯接的撓性盤的幾何中心。本發明假設軸向位移小，且由計時測量可知Δx和Δy偏移，從而可能估計出角度偏移量。
計算步驟如下計算在各盤的旋轉中心處兩軸線之間的偏移增量。
其中下標A和B分別代表法蘭盤A和B。注意，哪個盤被標記為A，哪個盤被標記為B無關緊要。最后，近似偏移角度可計算如下 其中R為順度中心到目標盤中心的名義距離。圖13給出的實驗驗證測試結果，示出了僅使用可變磁阻傳感器T進行對準的次級可選驗證。
本發明提供了四十赫茲的扭矩測量帶寬。本發明在±300,000英寸一磅的扭矩范圍內精確測量扭矩，優選地為-270,900英寸-磅到+270,900英寸-磅，轉速為2,500到10,000rpm，溫度為-80到250F度。
測量扭轉的方法包括提供具有目標圖形22的第一轉盤20(盤A)，提供具有目標圖形26的第二轉盤24(盤B)，提供用于檢測第一轉盤目標圖形22且具有至少三個傳感器的第一傳感器組28(第一盤第一傳感器T1A，第一盤第二傳感器T2A，第一盤第三傳感器T3A)，和用于測量第二轉盤目標圖形26且具有至少三個傳感器的第二傳感器組36(第二盤第一傳感器T1B，第二盤第二傳感器T2B，第二盤第三傳感器T3B)。本方法包括測量第一轉盤20相對于至少具有三個傳感器的第一傳感器組28的側向位移增量和角位移增量，以及第二轉盤24相對于至少具有三個傳感器的第二傳感器組36的側向位移增量和角位移增量。本方法包括利用至少具有三個傳感器的第一傳感器組和至少具有三個傳感器的第二傳感器組測量第一轉盤20相對于第二轉盤24的表觀扭轉，并利用測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度、側向位移增量及盤A和盤B的角位移。優選地，盤A的位移增量和側向位移測量由盤A的傳感器組28間的計時測量計算而來。優選地，盤B的位移增量和側向位移測量由盤B的傳感器組36間的計時測量計算而來。優選地，表觀扭轉測量根據盤A的傳感器組28中各傳感器T間的計時測量和盤B的傳感器組36中各傳感器T間的相應計時測量計算而來。
本發明包括扭矩測量系統19，該系統具有繞第一轉盤中心z-軸60旋轉的第一轉盤A，其中第一盤20在x-y平面延伸并具有目標圖形22，以及具有繞第一轉盤中心z-軸62旋轉的第二轉盤B，其中第二盤24在x-y平面延伸并具有目標圖形26。該系統19包括一個以傳感器支架參考z-軸64為中心的傳感器支架48，該支架環繞第一轉盤20和第二轉盤24，并且包括第一盤第一傳感器、第一盤第二傳感器和第一盤第三傳感器，這三個傳感器環繞第一轉盤20固定并將其包圍，且被定位成用于測量第一轉盤目標圖形22；還包括第二盤第一傳感器，第二盤第二傳感器和第二盤第三傳感器，這三個傳感器環繞第二轉盤24固定并將其包圍，且被定位成用于測量第一轉盤目標圖形26。第一盤第一傳感器與于第二盤第一傳感器在圓周上相鄰放置；第一盤第二傳感器與第二盤第二傳感器在圓周上相鄰放置；第一盤第三傳感器與于第二盤第三傳感器在圓周上相鄰放置。這些傳感器用于測量第一轉盤中心z-軸60相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量和相對于傳感器支架的θx偏移量和θy偏移量，以及第二轉盤中心z-軸62相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量和相對于傳感器支架的θx偏移量和θy偏移量。系統19用于確定第一轉盤和第二轉盤之間的實際扭轉角度θtwist，優選地，該實際扭轉角度用于和預設的聯接順度一起測量扭矩。
本發明包括扭矩軸偏差測量系統19，該系統包括繞第一旋轉中心z-軸旋轉的第一轉盤及軸，其中第一盤在x-y平面內延伸并具有圓周目標圖形；繞第二轉盤中心z-軸旋轉的第二轉盤及軸，其中第二盤在x-y平面內延伸并具有圓周目標圖形，第一轉軸52和第二轉軸54與第一轉盤和第二轉盤之間的旋轉中心56撓性聯接；以傳感器支架參考z-軸64為中心的傳感器支架48，該支架環繞第一轉盤和第二轉盤，其中第一盤第一傳感器、第一盤第二傳感器和第一盤第三傳感器環繞并固定于第一轉盤并將其包圍，且被定位成用于檢測第一轉盤目標圖形，第二盤第一傳感器、第二盤第二傳感器和第二盤第三傳感器環繞并固定于第二轉盤并將其包圍，且被定位成用于檢測第二轉盤目標圖形。第一盤第一傳感器與于第二盤第一傳感器在圓周上相鄰放置；第一盤第二傳感器與第二盤第二傳感器在圓周上相鄰放置；第一盤第三傳感器與于第二盤第三傳感器在圓周上相鄰放置。這些傳感器用于檢測第一轉盤中心z-軸60相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量和相對于傳感器支架的θx偏移量和θy偏移量，以及檢測第二轉盤中心z-軸62相對于傳感器支架參考z-軸64的Δx偏移量和Δy偏移量和相對于傳感器支架的θx偏移量和θy偏移量，從而確定第一轉盤與第二轉盤之間的實際扭轉角度θtwist，并且確定在旋轉中心處的第一旋轉中心z-軸和第二旋轉中心z-軸之間的偏移增量，并提供扭矩和軸偏移量測量。
在不偏離本發明精神和范圍的前提下，本領域技術人員顯然可以對本發明進行修改和變化。因而，只要符合隨付的權利要求及其等價描述的范圍，則認為本發明涵蓋了對其進行的修改和變化。
權利要求
1.一種測量扭矩的方法，包括
提供第一轉盤，所述第一轉盤具有目標圖形；
提供第二轉盤，所述第二轉盤具有目標圖形；
提供至少具有三個傳感器的第一傳感器組，所述第一傳感器組包括第一盤第一傳感器、第一盤第二傳感器和第一盤第三傳感器，所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組用于檢測所述第一轉盤目標圖形，所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組環繞所述第一轉盤固定并將其包圍；
提供至少具有三個傳感器的第二傳感器組，所述第二傳感器組包括第二盤第一傳感器、第二盤第二傳感器和第二盤第三傳感器，所述至少具有三個傳感器的第二傳感器組用于檢測所述第二轉盤目標圖形，所述至少具有三個傳感器的第二傳感器組環繞所述第二轉盤固定并將其包圍；
提供傳感器支架，以固定所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組和所述至少具有三個傳感器的第二傳感器組，其中所述第一盤第一傳感器與所述第二盤第一傳感器相鄰放置，所述第一盤第二傳感器與所述第二盤第二傳感器相鄰放置，所述第一盤第三傳感器與所述第二盤第三傳感器相鄰放置，
利用所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組和至少具有三個傳感器的第二傳感器組，測量所述第一轉盤相對于所述第二轉盤的表觀扭轉，
根據測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度θtwist。
2.如權利要求1所述的方法，該方法包括對所述第一轉盤(A)的側向位移和所述第二轉盤(B)的側向位移進行補償。
3.如權利要求1所述的方法，其中，第一盤第一傳感器與第一轉盤由間隔分隔，第一盤第二傳感器與第一轉盤由間隔分隔，第一盤第三傳感器與第一轉盤由間隔分隔；所述方法包括補償第一盤第一傳感器與第一轉盤之間間隔的變化、第一盤第二傳感器與第一轉盤之間間隔的變化、和第一盤第三傳感器與第一轉盤之間間隔的變化。
4.如權利要求1所述的方法，其中，第二盤第一傳感器與第二轉盤由間隔分隔，第二盤第二傳感器與第二轉盤由間隔分隔，第二盤第三傳感器與第二轉盤由間隔分隔；所述方法包括補償第二盤第一傳感器與第二盤之間間隔的變化、第二盤第二傳感器與第二盤之間間隔的變化、和第二盤第三傳感器與第二盤之間間隔的變化。
5.如權利要求1所述的方法，其中，第一盤第一傳感器與第二盤第一傳感器軸向對準，第一盤第二傳感器與第二盤第二傳感器軸向對準，第一盤第三傳感器與第二盤第三傳感器軸向對準。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述軸向對準的第一盤第一傳感器和第二盤第一傳感器，所述軸向對準的第一盤第二傳感器與第二盤第二傳感器以及所述軸向對準的第一盤第三傳感器與第二盤第三傳感器為平行對準。
7.如權利要求1所述的方法，該方法包括對盤傳感器和轉盤之間的間隔變化進行補償。
8.如權利要求1所述的方法，其中提供所述第一轉盤包括提供具有第一轉軸的第一轉盤，提供所述第二轉盤包括提供具有第二轉軸的第二轉盤，所述第一轉軸和所述第二轉軸與位于所述第一轉盤和所述第二轉盤之間的旋轉中心聯接；所述方法包括確定所述第一轉軸和第二轉軸之間的角偏移量。
9.如權利要求1所述的方法，其中提供所述具有目標圖形的第一轉盤包括提供具有圓周目標圖形的第一轉盤。
10.如權利要求1所述的方法，其中提供所述具有目標圖形的第二轉盤包括提供具有圓周目標圖形的第二轉盤。
11.如權利要求1所述的方法，其中提供至少具有三個傳感器的第一傳感器組包括提供至少具有三個可變磁阻傳感器的第一傳感器組。
12.如權利要求1所述的方法，其中提供至少具有三個傳感器的第二傳感器組包括提供至少具有三個可變磁阻傳感器的第二傳感器組。
13.如權利要求1所述的方法，其中提供至少具有三個傳感器的第一傳感器組包括提供至少具有三個光學傳感器的第一傳感器組。
14.如權利要求1所述的方法，其中提供至少具有三個傳感器的第二傳感器組包括提供至少具有三個光學傳感器的第二傳感器組。
15.如權利要求1所述的方法，還包括根據第一盤、第二盤，或第一盤和第二盤確定各盤的瞬時旋轉軸速。
16.如權利要求1所述的方法，還包括測量第一盤相對于第一傳感器組的側向位移增量和角位移增量，以及第二盤相對于第二傳感器組的側向位移增量和角位移增量。
17.如權利要求16所述的方法，其中實際扭轉角度θtwist是利用第一盤相對于第一傳感器組的側向位移增量和角位移增量、第二盤相對于第二傳感器組的側向位移增量和角位移增量、以及第一盤和第二盤的位移來確定。
18.如權利要求1所述的方法，其中所述第一轉盤目標圖形和所述第二轉盤目標圖形彼此相同。
19.如權利要求1所述的方法，其中所述第一轉盤有多個第一感測線和所述第二轉盤有多個第二感測線，并且測量所述第一感測線和第二感測線上的兩個連續升起或下降的邊緣之間的時間以確定實際扭轉角度θtwist。
20.如權利要求1至19所述的任一項的方法用于測量扭轉角度。
21.一種測量扭矩的系統方法，包括
第一轉盤，所述第一轉盤具有目標圖形；
第二轉盤，所述第二轉盤具有目標圖形；
至少具有三個傳感器的第一傳感器組，所述第一傳感器組包括第一盤第一傳感器、第一盤第二傳感器和第一盤第三傳感器，所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組用于檢測所述第一轉盤目標圖形，所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組環繞所述第一轉盤固定并將其包圍；
至少具有三個傳感器的第二傳感器組，所述第二傳感器組包括第二盤第一傳感器、第二盤第二傳感器和第二盤第三傳感器，所述至少具有三個傳感器的第二傳感器組用于檢測所述第二轉盤目標圖形，所述至少具有三個傳感器的第二傳感器組環繞所述第二轉盤固定并將其包圍；
傳感器支架，以固定所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組和所述至少具有三個傳感器的第二傳感器組，其中所述第一盤第一傳感器與所述第二盤第一傳感器相鄰放置，所述第一盤第二傳感器與所述第二盤第二傳感器相鄰放置，所述第一盤第三傳感器與所述第二盤第三傳感器相鄰放置，
其中
利用所述至少具有三個傳感器的第一傳感器組和至少具有三個傳感器的第二傳感器組，測量所述第一轉盤相對于所述第二轉盤的表觀扭轉，
根據測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度θtwist。
全文摘要
本發明提供一種測量扭矩的方法/系統。該方法/系統包括提供具有目標圖形的第一轉盤A和提供具有目標圖形的第二轉盤B。該方法/系統包括提供具有至少三個傳感器的第一傳感器組，其包括第一盤第一傳感器(1A)、第一盤第二傳感器器(2A)、及第一盤第三傳感器(3A)。該具有至少三個傳感器的第一傳感器組用于檢測第一轉盤目標圖形，其環繞第一轉盤固定。本方法包括提供具有至少三個傳感器的第二傳感器組，包括第二盤第一傳感器(1B)、第二盤第二傳感器(2B)、及第二盤第三傳感器(3B)。具有至少三個傳感器的第二傳感器組用于檢測第二轉盤目標圖形，其環繞第二轉盤固定。該方法/系統包括利用具有至少三個傳感器的第一傳感器組和具有至少三個傳感器的第二傳感器組檢測第一轉盤相對于第二轉盤的表觀扭轉，并根據測得的表觀扭轉確定實際扭轉角度。
文檔編號G01L3/12GK101799340SQ201010000208
公開日2010年8月11日 申請日期2004年8月27日 優先權日2003年8月29日
發明者史蒂夫·C·索思沃德 申請人:洛德公司